Ứng dụng máy toàn đạc điện tử trong thi công xây dựng nhà cao tầng”

Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, đất nước ta đang trên đà hội nhập và phát
triển mạnh mẽ về nhiều mặt, đặc biệt trong lĩnh vực xây dựng cơ sở hạ tầng kỹ
thuật. Chúng ta đã và đang xây dựng nhiều công trình có quy mô lớn và hiện đại
mang tầm cỡ quốc gia. Trong đó phải kể đến một số loại công trình như: các tòa
nhà cao tầng, các khu chung cư, các khu công nghiệp, hầm đường bộ, các cầu lớn
vượt sông, các nhà máy thủy điện …
Hiện nay trên địa bàn cả nước đã và đang xây dựng nhiều nhà cao tầng và
khu chung cư cao tầng với quy mô ngày càng lớn, kiểu dáng, kiến trúc ngày càng
hiện đại. Trong thi công nhà cao tầng, vai trò và nhiệm vụ của trắc địa rất quan
trọng. Vì thế có làm tốt công tác trắc địa trong thi công xây dựng nhà cao tầng
thì mới đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật và thẩm mỹ của công trình. Nhiệm vụ
chính của công tác trắc địa cho thi công nhà cao tầng là nhằm đảm bảo cho công
trình được xây đựng đúng vị trí thiết kế, đúng kích thước hình học và điều quan
trọng nhất đối với nhà cao tầng là đảm bảo độ thẳng đứng theo thiết kế.
Để đảm bảo hoàn thành thành tốt nhiệm vụ trên tức là đảm bảo độ chính
xác cao trong thi công nhà cao tầng thì cần phải áp dụng các thiết bị đo đạc mới
với công nghệ hiện đại có độ chính xác cao như: các loại máy toàn đạc điện tử,
GPS, các loại máy chiếu đứng quang học và laser.
Xuất phát từ vấn đề thực tiễn đó và cũng để tìm hiểu làm quen với công
nghệ mới và tạo hành trang cho mai sau ra trường khỏi bỡ ngỡ trước công việc
thực tế nên em đã nhận đề tài tốt nghiệp là: “Ứng dụng máy toàn đạc điện tử
trong thi công xây dựng nhà cao tầng”.
Sau một thời gian nghiên cứu, với sự giúp đỡ hướng dẫn tận tình của thầy
giáo THS. Nguyễn Quốc Long và các thầy cô trong bộ môn, em đã hoàn thành
bản đồ án.

Sv: Trần Văn Chủ

1Trắc địa Mỏ - CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Nội dung của đồ án được trình bày trong 3 chương như sau:
Chương 1: Giới thiệu chung về công tác trắc địa phục vụ thi công nhà cao
tầng.
Chương 2: Ứng dụng máy toàn đạc điện tử LEICA VIVA TS-15 trong công tác
trắc địa phục vụ thi công xây dựng nhà cao tầng.
Chương 3: Tính toán thực nghiệm.
Được sự chỉ bảo hướng dẫn tận tình của thầy giáo ThS. Nguyễn Quốc Long
và sự nỗ lực tìm tòi học hỏi của bản thân đồ án tốt nghiệp của tôi đã được hoàn
thành. Tuy nhiên, do chưa có phong phú về tài liệu sử dụng và kinh nghiệm thực
tiễn cho nên khó tránh khỏi những sai sót trong nội dung cũng như trong công
việc sử dụng các thuật ngữ khoa học. Vì thế, em rất mong nhận được những ý
kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để bản đồ án của tôi
được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 6 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Trần Văn Chủ
Trắc Địa Mỏ-Công Trình K55

Sv: Trần Văn Chủ

2Trắc địa Mỏ - CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA PHỤC VỤ THI CÔNG
NHÀ CAO TẦNG
1.1. Giới thiệu chung về công trình nhà cao tầng
1.1.1. Khái niệm về nhà cao tầng.
Khái niệm chung: nhà cao tầng là những công trình nhà dân dụng hoặc
công nghiệp (trong đó đa số là nhà dân dụng) có đặc điểm chung là gồm nhiều
tầng, với kích thước tiết diện ngang nhỏ hơn nhiều lần chiều cao công trình.

Sv: Trần Văn Chủ

3Trắc địa Mỏ - CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
Hình 1.1 - Tòa nhà keangnam Hà Nội

Nhà cao tầng được đặc trưng bởi số tầng của nó, tiêu chuẩn quy định về
nhà cao tầng ở các nước trên thế giới không giống nhau. Ở nước ta hiện nay có
bảng phân loại nhà cao tầng như sau (Bảng 1.1.1)

Bảng 1.1. Phân loại nhà cao tầng ở Việt Nam [3]
TT

Số tầng

Phân loại

1

Từ 7 đến 12 tầng

Cao tầng loại 1

2

Từ 13 đến 25 tầng

Cao tầng loại 2

3

Từ 26 đến 45 tầng

Cao tầng loại 3

4

Trên 45 tầng

Siêu cao tầng

Ngoài cách phân loại theo số lượng tầng, nhà cao tầng còn được phân loại
theo kết cấu như sau:
a. Phân loại theo vật liệu, bao gồm:
- Kết cấu gạch đá.
- Kết cấu thép.
- Kết cấu bê tông cốt thép.
- Kết cấu hỗn hợp.
b. Phân loại theo kiểu kết cấu, bao gồm:
- Kết cấu khung.
- Kết cấu tường chịu lực cắt.
- Kết cấu khung – tường chịu lực cắt.
- Kết cấu thể ống (kết cấu lõi cứng) gồm kết cấu ống trong, kết cấu
ngoài.
- Kết cấu cực lớn và kết cấu quần thể ống khung.
- Kết cấu sàn nhà gồm: sàn có dầm, sàn không có dầm và sàn dày sườn.
→ Xã hội ngày nay càng phát triển thì xu hướng tập trung dân cư tại các
đô thị ngày càng tăng. Trong xu thế phát triển chung của đất nước việc xây dựng

Sv: Trần Văn Chủ

4Trắc địa Mỏ - CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

là hệ quả tất yếu của việc tăng dân số đô thị, thiếu đất đai xây dựng và giá đất
ngày càng cao ở các thành phố lớn. Tính đến năm 2000, các nhà cao tầng ở nước

ta chủ yếu là các khách sạn, tổ hợp văn phòng và trung tâm dịch vụ do các nhà
đâu tư nước ngoài đầu tư xây dựng có chiều cao phổ biến từ 16 đến 20 tầng. Sau
năm 2000 thì hàng loạt dự án nhà cao tầng được triển khai xây dựng ở các khu
đô thị mới như: bán đảo Linh Đàm, khu đô thị mới Trung Hòa – Nhân Chính, khu
đô thị mới Trung Yên, làng quốc tế Thăng Long, … được thiết kế xây dựng với độ
cao từ 15 đến 40 tầng nổi, từ 1 đến 6 tầng hầm nhằm tận dụng tối đa khoảng
khoảng không gian hầm nhằm mục đích để xe hoặc các trung tâm thương mại
kết hợp khu với chơi giải trí nhứ: Tràng Tiền Plaza, Vincom Tower,... Thậm chí
mới đây là công trình kết hợp cả khu chung cư cao tầng với khu vui chơi giải trí,
trung tâm mua sắm như: Royal City đã góp phần giải quyết không chỉ nhu cầu về
nhà ở mà còn thêm nơi vui chơi giải trí và làm đẹp cảnh quan đô thị.
1.1.2. Công nghệ xây dựng nhà cao tầng.
Tùy theo yêu cầu kỹ thuật và đặc tính của từng loại kết cấu mà có những
công nghệ xây dựng nhà cao tầng khác nhau. Ở Việt Nam, khi xây dựng nhà cao
tầng thường sử dụng nhưng phương pháp sau:
a. Phương pháp đổ bê tông tại chỗ: toàn bộ cột, dầm, sàn đều được đổ bê
tông tại hiện trường. Đây là phương pháp đang được ứng dụng rộng rãi. Nhà xây
dựng theo phương pháp này có tính chỉnh thể tốt, tính thích ứng cao, nhưng khối
lượng thi công ở hiện trường lớn.
b. Phương pháp lắp ghép đơn giản: trong phương pháp này các kết cấu
đúc sẵn nhà sàn nhà (dưới dạng tấm panel), tường, cột, dầm được chế tạo dưới
dạng tấm hoặc khối bê tông. Sau đó dùng cẩu hoặc kích đẩy để lắp ghép, dùng
phương pháp hàn để liên kết chúng thành thể thống nhất. Phương pháp này có
khối lượng công tác ngoài hiện trường ít, tốc độ thi công nhanh, nhưng khả năng
chịu tác động ngang và chống động đất kém, nhanh xuống cấp…

Sv: Trần Văn Chủ

5Trắc địa Mỏ - CT K55

Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

c. Phương pháp lắp ghép cộng lõi cứng: trong phương pháp này tiến hành
đổ bê tông lõi cứng (buồng cầu thang, gian cầu thang bộ, gian các đường ống),
ngoài ra còn có thể đổ thêm các cột, dầm; các kết cấu lắp ghép bao gồm dầm,
sàn... Kết cấu nahf thi công theo phương pháp này có khả năng chịu lực tốt, tiến
độ thi công nhanh.
d. Phương pháp lắp ghép cộng vách cứng: vách cứng (tường ngoài) được
đổ bê tông trực tiếp; các kết cấu cột, dầm có thể đổ bê tông tại chỗ; kết cấu đúc
sẵn để alwps ghép bao gồm dầm, sàn… Loại kết cấu này có khả năng chống động
đất cao, tốc độ thi công khá nhanh.
1.2. Những nội dung cơ bản của công tác trắc địa trong thi công xây dựng
nhà cao tầng
Tùy thuộc vào chiều cao công trình (số tầng), dạng kết cấu và phương
pháp thi công mà nội dung công tác trắc địa có thay đổi, nhưng về cơ bản công
tác trắc địa trong xây dựng nhà cao tầng bao gồm:
1.2.1. Thành lập xung quanh công trình một lưới khống chế, có đo nối với
lại lưới khống chế trắc địa Nhà nước.
Mạng lưới này có tác dụng định vị công trình trong hệ tọa độ sử dụng ở
giai đoạn khảo sát thiết kế, nghĩa là định vị nó so với các công trình lân cận. Đối
với nhà cao tầng, lưới khống chế bên ngoài công trình chủ yếu phục vụ cho thi
công phần dưới mặt đất của ngôi nhà, là cơ sở để chuyể tọa độ vào bên trong
công trình.
1.2.2. Chuyển ra thực địa các trục chính của công trình từ các điểm khống
chế.
Các khung chính này đưuọc dùng cho thi công phần móng công trình.
Chúng được đánh dấu trên khung định vị hoặc bằng các mốc chôn sát mặt đất.

1.2.3. Bố trí chi tiết khi xây dựng phần dưới mặt đất của công trình.

Sv: Trần Văn Chủ

6Trắc địa Mỏ - CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Nội dung công việc bao gồm:
- Bố trí và kiểm tra thi công cọc móng.
- Bố trí và kiểm tra thi công đài móng.
- Bố trí ranh giới móng và các bộ phận trong móng.
Độ chính xác của các công tác này đưuọc xác định theo Tiêu chuẩn xây
dựng hiện hành, hoặc yêu cầu riêng nêu trong thiết kế cho từng công trình.
1.2.4. Thành lập lưới khống chế trên mặt bằng móng.
Mạng lưới này có tác dụng để bố trí phần trên mặt đất của công trình, kể
từ mặt bằng móng (mặt bằng gốc) trở lên. Do yêu cầu của công tác bố trí, lưới
khống chế cơ sở trên mặt bằng móng có độ chính xác cao hơn so với mạng lưới
thành lập trong giai đoạn thi công móng.
Để đảm bảo tính thẳng đứng của công trình, các điểm của lưới cơ sở trên
mặt bằng móng được chiếu theo phương thẳng đứng lên các mặt bằng xây dựng,
từ đó thành lập hệ thống trục bố trí đảm bảo công tác bố trí trên từng tầng.
1.2.5. Chuyển tọa độ và độ cao các điểm cơ sở lên các mặt bằng xây dựng.
Để chiếu các điểm khống chế cơ sở trên mặt bằng móng lên cao có thể sử
dụng một trong các phương pháp sau:
- Phương pháp dùng dọi chính xác.
- Phương pháp dựa vào mặt phẳng ngắm của máy kinh vĩ.

- Phương pháp chuyền tọa độ bằng máy toàn đạc điện tử.
- Phương pháp chiếu đứng quang học và laser.
Ngoài ra còn có thể sử dụng công nghệ GPS kết hợp với các trị đo mặt đất.
Phương pháp chiếu được lựa chọn tùy thuộc vào độ cao và đặc điểm của công
trình.
Để chuyể độ cao từ mặt bằng móng lên các tầng xây dựng có thể sử dụng
các phương pháp sau:
- Phương pháp thủy chuẩn hình học theo đường cầu thang bộ.
- Phương pháp dùng hai máy thủy chuẩn kết hợp với thước thép treo.

Sv: Trần Văn Chủ

7Trắc địa Mỏ - CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

- Phương pháp đo trực tiếp khoảng cách đứng.
- Phương pháp dùng máy đo dài điện tử (máy đo dài cầm tay).
1.2.6. Bố trí chi tiết trên mặt bằng xây dựng.
Đầu tiên cần bố trí các trục chi tiết, sau đó dùng các trục này để bố trí kết
cấu và thiết bị. Trong công tác này cần đặc biệt lưu ý việc kiểm tra và đo vẽ hoàn
công, tránh những sai lầm của công tác bố trí. Đo kiểm tra và đo vẽ hoàn công
được tiến hành theo giai đoạn và khi kết thúc xây dựng công trình.
1.2.7. Quan trắc biến dạng công trình.
Quan trắc biến dạng nhà cao tầng bao gồm:
- Quan trắc độ lún của đáy hố móng.
- Quan trắc độ lún của móng và các bộ phận của công trình.

- Quan trắc chuyển dịch ngang của công trình, thường chỉ tiến hành
khi công trình xây dựng trên khu vực có khả năng xảy ra hiện tượng trượt.
- Quan trắc độ nghiêng của công trình.
1.3. Các chỉ tiêu kỹ thuật và hạn sai cho phép dùng trong thiết kế và thi
công công trình
Để có một công trình bền vững theo thời gian và xây dựng theo đúng thiết
kế kiến trúc đề ra thì trong quá trình thi công cần phải tuân thủ nghiêm ngặt các
quy phạm, các chỉ tiêu kỹ thuật và hạn sai cho phép.
Dưới đây là một số chỉ tiêu kỹ thuật và quy phạm trong thi công xây dựng
nhà cao tầng theo CTXDVN 309:2004 “Công tác trắc địa trong xây dựng công
trình – Yêu cầu chung” quy định các yêu cầu kỹ thuật đo vẽ văn bản đồ hình tỷ lệ
lớn và trắc địa công trình, được bộ xây dựng ban hành theo quy định số
04/2005/QĐ-BXD ngày 10 tháng 01 năm 2005.
Mỗi tòa nhà gồm một số lượng hữu hạn các bộ phận kết cấu chính, có liên
quan chặt chẽ với nhau như móng, tường, các trụ riêng biệt (các trụ hoặc các
cột), các dầm xà, các trần, mái nhà, cửa sổ, cửa ra vào... tạo nên một bộ khung

Sv: Trần Văn Chủ

8Trắc địa Mỏ - CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

chịu lực hoàn chỉnh của tòa nhà. Tùy thuộc mỗi công trình cụ thể mà người ta đặt
ra yêu cầu về độ chính xác của công tác bố trí xây dựng.

1.3.1. Chỉ tiêu kỹ thuật của mạng lưới cơ sở bố trí công trình

Để phục vụ cho công tác bố trí trục công trình nhà cao tầng và chỉ đạo thi
công người ta thường thành lập mạng lưới bố trí cơ sở theo nguyên tắc lưới độc
lập. Phương vị của một trong những cạnh xuất phát từ điểm gốc lấy bằng hoặc .
Bảng 1.2. Chỉ tiêu kỹ thuật của mạng lưới cơ sở bố trí công trình [2]

Cấp
Chính
xác

1

2

3
4

Đặc điểm của đối tượng xây dựng

Xí nghiệp các cụm nhà và công trình xây
dựng trên phạm vi lớn hơn 100ha, từng
ngôi nhà và công trình riêng biệt trên diện
tích lớn hơn 100ha.
Xí nghiệp các cụm nhà và công trình xây
dựng trên phạm vi nhỏ hơn 100ha, từng
ngôi nhà và công trình riêng biệt trên diện
tích từ 1ha đến 10ha
Nhà công trình xây dựng trên diện tích nhỏ
hơn 1ha. Đường trên mặt đất và các đường
ống ngầm trong phạm vi xây dựng.
Đường ống trên mặt đất và các đường ống

ngầm ngoài phạm vi xây dựng.

Sai số trung phương
khi lập lưới cơ sở
Đo chênh
cao trên
Đo cạnh
Đo góc
1km tuyến
(“)
thủy
(tỷ lệ)
chuẩn
(mm)
3”

1/2500
0

4

5”

1/1000
0

6

10”

1/5000

10

30”

1/2000

15

1.3.2. Độ chính xác của công tác bố trí công trình
Độ chính xác của công tác bố trí công trình phụ thuộc vào các yếu tố sau:

Sv: Trần Văn Chủ

9Trắc địa Mỏ - CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

- Kích thước, chiều cao của đối tượng xây dựng.
- Vật liệu xây dựng công trình.
- Hình thức kết cấu của toàn thể công trình.
- Quy trình công nghệ và phương pháp thi công công trình.
Bảng 1.3. Độ chính xác của công tác bố trí công trình [7]

Độ
Chính

xác

Sai số trung phương
khi lập lưới cơ sở
Đặc điểm của đối tượng xây dựng
Đo góc
(“)

Xác định
chênh cao
tại trạm
máy (mm)

Các kết cấu kim loại có phay các bề mặt
tiếp xúc, các kết cấu bê tông cốt thép
được lắp ghép bằng phương pháp định 1/1500
Cấp 1
vị tại các điểm chịu lực; các công trình
0
cao từ 100m đến 120m hoặc có khầu độ
từ 30m đến 36m.

5

1

Các tòa nhà cao hơn 15 tầng; các công
1/1000
Cấp 2 trình có chiều cao từ 60m đến 100m
0

hoặc có khẩu độ từ 18m đến 30m.

10

2

Các nhà cao từ 5 tầng đến 15 tầng; các
Cấp 3 công trình có chiều cao từ 15m đến 60m 1/5000
hoặc có khẩu độ dưới 18m.

20

2.5

Các tòa nhà cao dưới 5 tầng; các công
Cấp 4 trình có chiều cao <15m hoặc có khẩu độ 1/3000
<6m.

30

3

Các kết cấu gỗ, các lưới công trình,
1/2000
đường xá, các đường dẫn ngầm.

30

5

Cấp 5

Đo
cạnh

Sv: Trần Văn Chủ

10Trắc địa Mỏ - CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Cấp 6

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Các công trình bằng đất (trong đó kể cả
1/1000
công tác quy hoạch đúng)

Sv: Trần Văn Chủ

45

11Trắc địa Mỏ - CT K55

10


Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

1.3.3. Chỉ tiêu kỹ thuật để lập lưới khống chế độ cao
Lưới khống chế độ cao phải đảm bảo yêu cầu đối với công tác đo vẽ, đặc
biệt là công trình về độ cao và được nêu ở bảng sau:
Bảng 1.4. Chỉ tiêu kỹ thuật để lập lưới khống chế độ cao [2]
Tia ngắm đi
cách
chướng
ngại vật
mặt đất
(mm)

Sai số đo
trên cao
đến mỗi
trạm máy
(mm)

Hạng

Khoảng
cách lớn
nhất từ
máy tới
mia (m)

I

25

0,3

0,5

0,8

0,5

II

35

0,7

1,5

0,5

0,7

III

50

1,5

3,0

0,3

3,0

IV

75-100

2,0

5,0

0,3

5,0

Chênh lệch
Tích lũy
khoảng
chênh lệch
cách trước
khoảng
sau (m)
cách (m)

Sai số
khép tuyến
theo số
trạm máy
(mm)

1.3.4. Sai số trung phương chuyển trục và độ cao lên các mặt bằng xây lắp
Bảng 1.5. Sai số trung phương chuyển trục và độ cao lên các mặt bằng xây lắp [2]

Các sai số

Chiều cao của mặt bằng thi công xây dựng (m)
<15

15-60

60-100

100-120

Sai số trung phương chuyển các
điểm, các trục theo phương
thẳng đứng (mm)

2

2,5

3

4

Sai số trung phương xác định độ
cao trên mặt bằng thi công xây
dựng so với mặt bằng gốc (mm)

3

4

5

5

1.4. Giới thiệu chung về máy toàn đạc điện tử (Total Station)
1.4.1. Nguyên lý cấu tạo máy toàn đạc điện tử

Sv: Trần Văn Chủ

12Trắc địa Mỏ - CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Máy toàn đạc điện tử (Total Station) là một loại máy trắc địa đa chức
năng, cho phép thực hiện nhiều nhiệm vụ của chuyên ngành trắc địa ở ngoài thực
địa. Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều hãng nghiên cứu chế tạo máy toàn đạc
điện tử như : Sokia, Topcon, Leica và một số hãng khác. Tuy chúng có hình dạng,
kích thước và tính năng kỹ thuật khác nhau nhưng đều có sự kết hợp giữa bộ đo
dài điện tử (Add – on) và máy kinh vỹ điện tử tạo thành một khối thống nhất cho
phép đồng thời đo cả góc và cạnh với độ chính xác cao.
Máy có cấu tạo gồm 3 bộ phận chính:

Máy đo dài điện tử ( EDM)
Chương trình phần mềm
(Software)
Máy kinh vĩ điện tử ( DT )

Hình 1.2 - Sơ đồ khối tổng quát của máy toàn đạc điện tử [4]
- Khối 1: Máy đo xa điện tử (Electronic Distance – EDM)
Chức năng: Thực hiện việc đo khoảng cách từ điểm đặt máy đến gương
(hoặc các bề mặt phản xạ). Độ chính xác đo khoảng cách phụ thuộc vào từng loại
máy nhưng các máy thông dụng hiện này thường cho phép đo khoảng cách với
độ chính xác: (3mm + 3.106D). Trong toàn bộ quá trình đo khoảng cách được thực
hiện tự động, kết quả được hiển thị trên màn hình hoặc chuyển vào bộ nhớ của máy
toàn đạc điện tử.

Sv: Trần Văn Chủ

13Trắc địa Mỏ - CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

- Khối 2: Máy kinh vĩ điện tử (Digital Theodolite - DT)
Máy kinh vĩ điện tử DT (Digital Theodolite) có cấu tạo quang học chỉ khác là
đo góc không phải thực hiện thao tác như chập vạch hoặc đọc số trên thang số đọc mà
số đọc sẽ tự động hiện lên trên màn hình tinh thể lỏng của máy.
Để thực hiện việc tự động hóa quá trình đo góc người ta có thể sử dụng
phương án : Phương án mã hóa bàn độ và phương án xung. Các máy kinh vĩ sử
dụng phương án mã hóa bàn độ gọi là máy kinh vĩ mã hóa, còn các máy sử dụng

phương án xung gọi là các máy loại xung.
- Khối 3: Chương trình phần mềm tiện ích (software)
Trong khối này người ta cài đặt các chương trình thể hiện tiện ích để xử lý
các nào toán trắc địa đơn giản như cải chỉnh khoảng cách nghiêng về khoảng cách
ngang, tính hiệu chỉnh khoảng cách do các yếu tố khí tượng, hiệu chỉnh hệ số chiết
quang và độ cong Trái đất, tính chênh cao giữa 2 điểm đo bẳng phương pháp đo cao
lượng giác, tính tọa độ độ cao các điểm theo chiều dài và theo góc phương vị, tính
diện tích, chương trình giao hội điểm. Để tăng dung lượng bộ nhớ, các máy toàn
đạc điện tử còn được trang bị thêm sổ đo điện tử (fild book).
Kết hơp 3 khối trên lại với nhau ta được một khối thống nhất đa chức năng
rất linh hoạt có thể đo đạc các đại lượng cần thiết và giải được hầu hết các bài toàn
trắc địa thông dụng như:
- Hiệu chỉnh khoảng cách nghiêng về khoảng cách ngang
- Hiệu chỉnh nhiệt độ, áp suất, chiết quang và độ cong trái đất.
- Xác định tọa độ điểm giao hội bằng các phương pháp giao hội thuận,
giao hội nghịch và các điểm đường chuyền.
- Xác định chênh cao giữa hai điểm bằng công thức lượng giác.
Ngoài ra còn có thể truyền số liệu trực tiếp vào máy tính tiếp tục quá trình vẽ
bản đồ, hoặc nhận 1file số liệu từ máy tính vào bộ nhớ của máy và cài đặt cho máy
những phần mềm thông dụng như MS – DOS. Số liệu đo được lưu vào sổ đo điện tử
và có thể trút vào máy bằng cáp chuyên dụng.
Hiện nay máy toàn đạc điện tử đang được sử dụng rộng rãi trong công tác
trắc địa. Các loại máy này tuy có cấu trúc bề ngoài khác nhau nhưng đều có

Sv: Trần Văn Chủ

14Trắc địa Mỏ - CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

chung một nguyên lý hoạt động và có thể đồng thời tự xác định chiều dài và độ
cao.
1.4.2. Thiết bị đo dài của máy toàn đạc điện tử
Máy đo dài điện tử sử dụng 2 sóng điện từ là sóng radio cực ngắn
a. Dao động
• Khái niệm cơ bản về dao động
Có nhiều dạng dao động nhưng cơ bản và đơn giản nhất là dao động điều
hòa hình sin có phương trình:
y = Asin( +0)

(1.1)

Trong đó:
+ A – Biên độ của dao động
+ ( +0) – Pha dao động
+ 0 – Pha ban đầu.

Hình 1.3 - Đồ thị dao động hình sin [4]
Cho vectơ có độ lớn A quay ngược chiều kim đồng hồ với vận tố đều và
xuất phát từ vị trí ban đầu 0( t=0) lúc đó tại thời điểm t bất kỳ hình chiếu của A trên
trục tung có giá trị tức thời y(t). Vecter A quay vẽ lên một hình sin điều hòa.
Khoảng thời gian thực hiện 1 vòng quay của A gọi là chu kỳ T. Khi dao động lan
truyền trong môi trường xung quanh thì nó được gọi là sóng, nếu sóng truyền với
vận tốc v trong thời gian 1 chu kỳ T thì độ dài chuyển dời đó gọi là bước sóng λ,
cũng với vận tốc ấy sóng được truyền trên một khoảng cách là D thì phương trình
dao động có dạng là:

Sv: Trần Văn Chủ

15Trắc địa Mỏ - CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
y =A.Sin(t ) + 0

•

(1.2)

Các tham số cơ bản của giao động
+ Biên độ A: Là giá trị biểu đồ cực đại dao động hình sin.
+ Pha của dao động = ( +0): Biểu thị trạng thái bao gồm độ lớn và

phương chiều của dao động hình Sin tại một thời điểm nào đó.
+ Pha ban đầu 0: Biểu thị trạng thái ban đầu t = 0 của dao động hình sin.
+ Chu kỳ T: Là khoảng thời gian ngắn nhất để dao động quay trở lại
trạng thái ban đầu.
+ Tần số f: Là số dao động toàn phần thực hiện được trong thời gian 1giây :
f=
+ Tần số góc là tốc độ quay vòng của giao động hình Sin. Trong thời gian
chu kỳ T dao động thực hiện với 1 vòng pha là 2. Như vậy tốc độ quay là :
= 2/T = 2f
Tần số góc được gọi là tốc độ biến thiên của pha theo thời gian
+ Bước sóng : là khoảng cách mà sóng hình sin truyền với vận tốc v trong
thời gian 1 chu kỳ T hay nói cách khác thì bước sóng là khoảng cách giữa 2 điểm

gần nhau nhất tính theo phương truyền sóng dao động cùng pha, là quãng đường
truyền đi của sóng trong thời gian 1 chu kỳ T.
λ = v.T = (µm)
b. Sóng điện từ
•

Khái niệm cơ bản về sóng điện từ

Sóng điện từ là quá trình lan truyền của điện từ trường trong không gian.
Vận tốc lan truyền của sóng điện trường trong chân không bằng vận tốc ánh sáng(c
3.108). Sóng điện từ là sóng ngang với vecter cương độ điện trường
ứng từ

uu
r
H

ur
E

và véctơ cảm

vuông góc với phương truyền sóng.

Sóng điện từ được chia thành các dải sóng sắp xếp theo thứ tự tăng dần của
tần số. Trong các máy đo xa điện tử người ta dùng dải sóng có tần số từ 10 13 - 1015

Sv: Trần Văn Chủ

16Trắc địa Mỏ - CT K55

Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Hz làm sóng lan truyền và sóng có tần số 10 - 500MHz với độ ổn định cao làm tín
hiệu đo.
Một trong những tính chất quan trọng của sóng điện từ có tính phân cực
nghĩa là vectơ dịch chuyển có khả năng chỉ truyền theo một phương trong 1 mặt
phẳng cố định phương trình dao động của sóng điện từ phân cực thẳng truyền trên
trục ox với vận tốc v có dạng:
y = A.sint - ) + 0]

Hình 1.4 - Sóng điện từ [4]
Trong đó:
+ A - Biên độ của dao động

+ 0 - Pha ban đầu

+ t - Thời gian

+ v - Vận tốc

+ x - Khoảng cách

+ - Tần số góc

Mặt phẳng chứa vector E gọi là mặt phẳng dao động còn mặt phẳng chứa
véctơ H là mặt phẳng phân cực. Trong kỹ thuật đo xa điện tử thường dùng sóng

điện tử phân cực thẳng. Mặt phẳng hình học chứa các điểm của các dao động có
cùng pha gọi là mặt đầu sóng hay mặt đầu pha. Mặt đầu sóng có thể là mặt cầu hay
mặt phẳng.
Sóng điện từ đơn sắc là sóng có tần số không đổi các sóng đơn sắc có tần số
khác nhau sẽ truyền với vận tốc khác nhau tốc độ truyền sóng phụ thuộc vào tần số
được gọi là sự tán sắc hay phân tán. Trong thực tế không tồn tại sóng điện từ đơn sắc

10

2

10

2

Sv: Trần Văn Chủ

Hång
ngo¹i
10

10

10

14

10

R¬ngen

Sãng
radio

Tö ngo¹i

tÇn
thÊp

ASNT

mà nó tập hợp từ các sóng khác nhau có tần số khác nhau.

18

Gamma
10

22

17Trắc địa Mỏ - CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
Hình 1.5 - Thang sóng điện từ [4]

•

Tính chất đặc trưng của sóng điện từ

Sóng điện từ truyền trong các môi trường sau:
+ Trong môi trường đồng nhất sóng điện từ truyền thẳng
+ Khi gặp chướng ngại vật, sóng điện từ bị gãy khúc gọi là hiện tượng
nhiễu xạ. Sóng có bước sóng (λ) càng lớn thì mức độ nhiễu sóng càng cao.
+ Khi truyền sóng qua 2 môi trường khác nhau, tại mặt tiếp giáp sóng
điện từ bị phản xạ và khúc xạ. Nếu bề mặt phản xạ không bằng phẳng sẽ gây lên
hiện tượng tán xạ ( khuyếch tán ).
+ Trong môi trường không đồng nhất sóng điện từ truyền theo đường
cong.
+ Khi 2 sóng kết hợp giao nhau sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa.
+ Năng lượng sóng điện từ truyền trong môi trường bị hấp thụ, tốc độ
truyền sóng chỉ không đổi trong môi trường chân không, còn trong môi trường đo
(khí quyển) nó phụ thược vào các yếu tố khí tượng ( nhiệt độ T, áp suất P, độ ẩm E).
Các yếu tố này được đặc trưng bởi hệ SEE chiết suất khí quyển (n) hoặc chỉ số
chiết suất khí quyển N =( n-1).106. Công thức xác định vận tốc truyền sóng V:
V=

(1.3)

c. Nguyên lý cơ bản của phương pháp đo xa điện tử

Sv: Trần Văn Chủ

18Trắc địa Mỏ - CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
Hình 1.6 - Sơ đồ đo khoảng cách [4]

Các máy đo dài điện tử xác định khoảng cách theo phương pháp gián
tiếp.Tức là khoảng cách được xác định khi đã biết vận tốc và thời gian của nó.
D = (v.t)

(1.4)

Trong đó:
D - Khoảng cách cần xác định
v- Vận tốc lan truyền tín hiệu v ≈3.108
t- Thời gian lan truyền tín hiệu
Độ chính xác đo khoảng cách D phụ thuộc vào độ chính xác xác định vận tốc
trong môi trường đo (v) và độ chính xác đo thời gian (t).
Như vậy, để xác định khoảng cách ta chỉ cần đo thời gian từ lúc tín hiệu phát
đi cho đến khi tín hiệu phản hồi trở lại. Tín hiệu có thể sử dụng là sóng âm thanh,
sóng điện từ, sóng siêu âm. Nếu sử dụng sóng âm thì độ chính xác không cao vì vận
tốc lan truyền sóng kém. Và nó phụ thuộc váo điều kiện ngoại cảnh như nhiệt độ
(t0), áp suất khí quyển (p). Trong các máy đo xa điện tử dùng cho trắc địa người ta
không dùng sóng âm mà chỉ dùng sóng điện từ bao gồm sóng ánh sáng và sóng
radio.
Để thỏa mãn độ chính xác đo khoảng cách trong trắc địa thì yêu cầu về độ
chính xác xác định thời gian là rất cao, sai số trung phương của đồng hồ đo thời
gian được xác định theo công thức:
2

= 2+ 2

(1.5)

Vì vậy, có các phương pháp đo và thiết bị đo khác nhau. Tùy thuộc vào dạng
tín hiệu sử dụng trong các máy đo xa điện tử mà người ta phân loại các máy đo xa
điện tử thành các dạng khác nhau.
+ Máy loại xung: Là loại máy mà tín hiệu của bộ phận phát và bộ phận
thu là các xung. Thời gian được xác định trực tiếp bằng cách đếm xung.

Sv: Trần Văn Chủ

19Trắc địa Mỏ - CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

+ Máy loại pha: Là loại máy mà tín hiệu là các dao động hình sin liên
tục. Thời gian được xác định gián tiếp qua hiệu pha giữa tín hiệu gốc và tín hiệu
phản hồi.
d. Các phương pháp đo khoảng cách
Có 3 phương pháp đo khoảng cách chủ yếu là: phương pháp xung, phương
pháp pha và phương pháp tần số. Hiện nay ở Việt Nam, công tác trắc địa chỉ sủ
dụng chủ yếu máy đo xa loại xung và loại pha.
•

Phương pháp đo xung
 Nội dung phương pháp đo xung
Trong phương pháp xung người ta xác định khoảng thời gian truyền xung
điện từ. Độ dài D được xác định theo công thức:
D = (v.t)

(1.6)

Các xung được chọn để đo phải thoả mãn 2 tiêu chuẩn:
+ Có độ dài xung ( Lx) hẹp.
+ Có độ rỗng (O) lớn.
Trong đó:
+ Độ dài xung (Lx) là khoảng thời gian tồn tại xung (tính từ thời điểm
phát xung đến thời điểm thu lại xung).
+ Độ rỗng (O) là tỷ số giữa chu kỳ và độ dài xung:
O=
Trong các máy đo dài điện tử hiện nay người ta thường dùng xung laser có
Lx = 10*0.1ηs và có độ rỗng O > 1000.

Sv: Trần Văn Chủ

20Trắc địa Mỏ - CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
Gương phản xạ (2)

Phát tín hiệu (1)

Phát tín
hiệu đo(4)

Tạo xung (5)

Khóa điền từ (6)

Thu tín hiệu (3)

Màn hình kết quả (8)

Đêm xung (7)

Hình 1.7 - Sơ đồ khối máy đo dài loại xung [4]
 Hoạt động của máy

Bộ phận phát tín hiệu (1) của máy phát ra các xung ánh sáng hoặc xung vô
tuyến về trạm phản hồi (2) hay gương phản xạ đặt ở điểm cần đo, tín hiệu phản hồi
trở lại được bộ phận thu (3) của máy thu lại toàn bộ. Thời gian tín hiệu lan truyền đi
và về trên khoảng cách cần đo được đo bằng đồng hồ điện tử chính xác (4,5,7,8).
Bộ phận phát tín hiệu đo (4) được cấu tạo từ tinh thể thạch anh (SiO 2). Dựa
vào hiện tượng áp điện thuận nghĩa là nếu ta đặt một tấm thạch anh trong điện
trường biến đổi thì nó sẽ rung động với tần số đúng bằng tần số biến thiên của điện
trường. Thông thường thạch anh được đặt trong hộp cộng hưởng làm bằng thuỷ tinh
hoặc chất dẻo ngoài hộp có ghi trị số dao động riêng của nó. Khi tần số của điện
trường đặt vào hộp xấp xỉ bằng tần số của thạch anh thì nó co giãn mạnh với tần số
rất ổn định. Ngoài ra trong máy đo xa điện tử hộp cộng hưởng còn đặt trong bộ ổn
định nhiệt. Khối (4) phát ra dao động dạng hình sin có tần số ổn định f đ được dẫn
đến bộ phận tạo xung (5) của máy.

Sv: Trần Văn Chủ

21Trắc địa Mỏ - CT K55

Đồ án tốt nghiệp

Sv: Trần Văn Chủ

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

22Trắc địa Mỏ - CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Bộ phận tạo xung (5) gồm 2 mạch:
+ Mạch 5a: Là mạch hạn chế dao động hay mạch xén, tín hiệu ở nối ra
có dạng hình thang;
+ Mạch 5b: Là mạch vi phân làm nhiệm vụ cho tín hiệu ở nối ra tỉ lệ với
đạo hàm của tín hiệu ở nối vào.
Khèi (4)

Khèi (5a)

Khèi (5b)

Hình 1.8 - Tín hiệu vào ra của khối (4) và khối (5) [4]
Ở nối ra của khối (5) chúng ta thu được các xung có dạng hình búi gai. Ứng
với mỗi chu kì của dao động hình sin chúng ta có một xung âm và một xung dương,
thông thường người ta lọc bớt xung âm đi chỉ còn lại xung dương. Vì vậy ứng với
mỗi một chu kì hình sin chúng ta thu được một xung dương có dạng hình búi gai.

Các xung này được dẫn đến máy đếm xung (7) trước khi đếm các xung này phải đi
qua khoá điện từ (6). Khoá điện từ (6) được điều khiển bởi xung phát làm nhiệm vụ
mở khoá điện từ, lúc này các xung được qua khoá điện từ và đến bộ phận đếm
xung. Khi có tín hiệu phản hồi trở về bộ phận thu của máy thì một phần năng lượng
được dẫn đến khoá điện từ làm nhiệm vụ đóng khoá điện từ lúc này các xung từ (5)
không thể qua được khoá điện từ. Vì vậy khoá điện từ chỉ mở trong khoảng thời
gian từ lúc phát tín hiệu đến khi có tín hiệu phản hồi trở về bộ phận thu của máy.

Sv: Trần Văn Chủ

23Trắc địa Mỏ - CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Khoảng cách từ trạm thu, phát đến gương càng lớn thì số xung đếm được
càng lớn và ngược lại. Dựa vào số xung đếm được người ta có thể tính được kết quả
cần đo:
D = 1/2 v.t = 1/2 v.x.Tx

(1.7)

→ D = 1/2 v.x/fx
Trong đó:
v- vận tốc sóng ( v≈ c = 3.108 m/s);
x- Số xung máy đếm được;
fx- Tần số dao động (fx = 1.5.108 Hz);
t- Thời gian từ lúc phát đến lúc phản hồi của tín hiệu;

D- khoảng cách cần xác định.
Kết quả đo được hiển thị trên màn hình của máy là kết quả tiến hành đo
nhiều lần và lấy giá trị trung bình cộng các kết quả đó, khi đó kết quả đo sẽ có thêm
một số lẻ nữa.
 Ưu – nhược điểm của phương pháp

+ Ưu điểm: Máy có cấu tạo gọn nhẹ, tiêu thụ ít năng lượng. So với các
loại máy pha có cùng tính năng thì máy loại xung có tầm hoạt động xa hơn. Hiện
nay, đa số các máy toàn đạc điện tử đều sử dụng phương pháp này để đo khoảng
cách.
+ Nhược điểm: Máy đo xa loại này thường sử dụng sóng cao tần dễ bị
môi trường hấp thụ, khả năng phản xạ ban đêm kém hơn ban ngày.
•

Phương pháp đo pha
 Sơ đồ khối của máy đo xa loại pha

Sv: Trần Văn Chủ

24Trắc địa Mỏ - CT K55


Đồ án tốt nghiệp

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Tín hiệu gốc

(1)
Phát

tín hiệu

(3)
Đo
hiệu pha

(4)
Gương phản xạ

(2)
Thu
tín hiệu

Tín hiệu phản hồi

D
A

B

Hình 1.9 - Sơ đồ khối của máy đo xa loại pha [4]
(1)
(2)
(3)
(4)

Bộ phận phát tín hiệu
Bộ phận thu tín hiệu
Bộ phận đo hiệu pha
Bộ phận gương phản xạ

 Hoạt động của máy
Trong các máy đo xa loại pha khoảng cách được xác định gián tiếp thông qua
hiệu pha giữa tín hiệu gốc và tín hiệu phản hồi:
∆ = g - ph
Giả sử tại A bộ phận phát tín hiệu (1) phát ra bức xạ sóng điện từ dao động
điều hoà:
uA = U0 cos (t + 0)

(1.8)

Gọi khoảng cách cần xác định là D như vậy ta có phương trình dao động tại
B là:
uB = U0 cos[(t -)+0]

(1.9)

Tín hiệu phản hồi về A có phương trình là:

Sv: Trần Văn Chủ

25Trắc địa Mỏ - CT K55